Wie funktioniert kovalente Bindung tatsächlich? Betrachten Sie das Molekül $ O_2 $ , das eine doppelte kovalente Bindung zwischen den Sauerstoffmolekülen aufweist. Chemietexte sagen, dass eine doppelte kovalente Bindung auftritt, weil dies jedem Sauerstoff acht Valenzelektronen gibt, was die stabilste Konfiguration ist.
Ich verstehe, dass die Oktettregel für ein einzelnes Atom funktioniert, weil (z. B.) die $ 3s $ -Zustand hat eine viel höhere Energie als der $ 2p $ -Zustand. Ich bin mir jedoch nicht sicher, wie dies für ein Zwei-Atom-Molekül gilt. Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu erklären:
Wenn wir „naiv sind und sagen, dass die Elektronenquantenzustände von $ O_2 $ sind nur die Zustände der ursprünglichen zwei Sauerstoffmoleküle, dann ist es unmöglich, alle $ 1s $ zu füllen , $ 2s $ und $ 2p $ geben an, weil es einfach nicht genug Elektronen gibt. Im Chemieunterricht umgehen wir dies, indem wir kovalent gebundene Elektronen „doppelt zählen“ – irgendwie können sie als Valenzelektronen an zwei Atomen gleichzeitig zählen. Aber wie kann sich ein einzelnes Elektron in zwei Quantenzuständen gleichzeitig befinden?
Weniger naiv können wir sagen, dass die $ O_2 $ -Orbitale von gebildet werden Kombinieren der einzelnen Atomorbitale der Sauerstoffatome miteinander. In diesem Fall macht die Oktettregel für mich jedoch keinen Sinn, da die Molekülorbitale völlig anders aussehen. Wie überlebt in diesem Bild das Oktettregelbild einer „vollständig gefüllten Schale“?
Antwort
In der physikalischen Chemie wird dieses Problem normalerweise in der MO-LCAO-Theorie behandelt.
Nehmen Sie das an Sie können die Molekülorbitale des Moleküls als lineare Kombination der Atomorbitale der Atome im Molekül erstellen (MO-LCAO steht für Molekülorbitale – Lineare Kombination von Atomorbitalen ). Daher Ihre Atomorbitale sind ein mathematischer Basissatz, auf den Sie (unter Verwendung einiger Koeffizienten) Ihre Molekülorbitale projizieren. Das Problem wird weiter vereinfacht, wenn Sie bedenken, dass die Atomorbitale, die sich miteinander verbinden, denselben Charakter für die für dieses Molekül möglichen Symmetrieoperationen haben sollten (das bedeutet dass jede atomare Orbitalkombination zur gleichen Punktgruppe gehören sollte, in o damit ihre linearen Kombinationen zu dieser Gruppe gehören). Sie können daher die SALC ( Symmetry Adapted Linear Combinations ), lineare Kombinationen von Atomorbitalen derselben Punktgruppe, erstellen und diese als leistungsfähigeren mathematischen Basissatz für die Molekülorbitale verwenden.
Hiermit können Sie die Koeffizienten der linearen Kombination und die Energie jedes Molekülorbitals berechnen. Was Sie erhalten, ist eine bestimmte Anzahl von Ebenen (die gleiche Anzahl der Atomorbitale, die in Ihrem Basissatz berücksichtigt werden), geordnet nach ihrer Energie. Sie können jetzt zwischen drei Arten von Molekülorbitalen unterscheiden:
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Bindung , Die Atomorbitale interferieren konstruktiv in der Region zwischen den beiden Atomen.
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antibindend interferieren die Atomorbitale destruktiv in der Region zwischen den beiden Atomen;
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nicht bindend ist das Molekülorbital fast identisch mit einem Atomorbital (der Koeffizient eines bestimmten Atomorbitals ist viel größer als der der anderen).
Sie können (auf einer sehr grundlegenden Ebene) zwischen ihnen unterscheiden, indem Sie die beteiligten Atomorbitale und ihr Vorzeichen im Bereich zwischen den Atomen darstellen: Wenn sie das gleiche Vorzeichen haben, sie binden sich, sonst binden sie sich. (Bitte beachten Sie, dass ich dabei die Größe des Koeffizienten vergesse, die in den meisten Fällen relevant sein sollte.)
Jetzt haben Sie eine Art „Leiter“ von Molekülorbitalen und wissen, ob jeder Schritt bindet oder nicht . Sie können jetzt die Elektronen (dieselbe Zahl wie die Summe der Elektronen, die in den Atomorbitalen verwendet wurden, die Sie in Ihrem Basissatz verwendet haben) wie für isolierte Atome eingeben: von unten nach oben zwei Elektronen in jeder Ebene, antiparalleler Spin und so weiter (die gleichen Regeln auch, wenn Sie mehr Ebenen bei gleicher Energie haben).
Sie können jetzt mit der sogenannten Bindungsreihenfolge : $$ zu einem klassischen Chemie-Framework zurückkehren BO = 1/2 (nn ^ *) $$ wobei $ n $ die Anzahl der Elektronen in Bindungsorbitalen und $ n ^ * $ die Anzahl der Elektronen in antibindenden Orbitalen ist (nichtbindende Orbitale zählen einfach nicht) Die Bindungsreihenfolge gibt an (wenn es sich um eine Ganzzahl handelt), wie viele Bindungen wir in einem klassischen Bild darstellen, und geht damit auf das Konzept der Oktettregel zurück.
Betrachten Sie tatsächlich die Valenzschale von Sauerstoff. Sie wird hergestellt durch die Atomorbitale $ 2s $, $ 2p_x $, $ 2p_y $, $ 2p_z $ und es enthält sechs Elektronen. Indem diese kombiniert werden (und die Wechselwirkung zwischen $ 2s $ und $ 2p_z $ ignoriert wird, könnte dies möglich sein und das ändert sich nur Die Energie dieser Molekülorbitale erhalten Sie $ 4 \ mal 2 $ Molekülorbitale (der Apex * bedeutet, dass sie antibindend sind).
Die Auserwählten Rons für Sauerstoff sind schwarz (rote werden hinzugefügt, wenn das F $ _2 $ -Molekül betrachtet wird).
Die bindenden Molekülorbitale einer Hülle dieses Typs sind vier, daher beträgt die Gesamtzahl der Bindungselektronen acht. Hier kommt die Oktettregel, aber diese Art von Argumentation versucht, eine empirische und falsche Argumentationsweise in ein leistungsfähigeres und quantenbezogenes Gerüst zu integrieren.
Bitte beachten Sie, dass meine Antwort aus einer wirklich einführenden und grundlegenden Perspektive stammt. Ausgehend davon können die Dinge viel komplizierter werden.
Kommentare
- Danke für die Antwort! Was Sie ‚ gesagt haben, macht Sinn, aber ich verstehe ‚ immer noch nicht, wie dies zur Oktettregel führt. Warum erhalten Atome nach der Berechnung der Bindungsreihenfolge Oktette?
- @knzhou Ich ‚ habe sie bearbeitet, um zu versuchen, mit einem spezifischeren Beispiel zu antworten (und Fehler in der Definition der Bond-Reihenfolge korrigiert.
- @knzhou Die Octect-Regel ist falsch. Es gibt viele Ausnahmen. Die Oktettregel wurde viel vor der Festlegung der Quantenmechanik ‚ vorgeschlagen.
- Dies ist sehr sinnvoll. Haben Sie direkte Erfahrung mit der Simulation von Orbitalen in Molekülen? Der Grund, den ich frage, ist, dass man bei der Simulation gekoppelter optischer Wellenleiter oft eine Annäherung macht, dass die Eigenfelder der gekoppelten Struktur lineare Kombinationen der ungekoppelten Wellenleitereigenfelder sind – das direkte Analogon von MO-LCAO. In der Tat sind Wellenleitereigenfunktionsprobleme genau analog zu den entsprechenden Sturm-Liouville-Problemen, die sich aus nichtrelativistischen Schr ö -Dinger-Gleichungen ergeben. Dies ist schön für die Konzeption, aber ‚ eine miese Annäherung, sobald die Kopplung …
- … überhaupt stark ist. Die Wellenleiter müssen überraschend schwach gekoppelt sein, damit sie genau sind. Haben Sie Verständnis für die Genauigkeit von MO-LCAO beispielsweise für das Molekül $ O_2 $?
Antwort
Die Oktettregel ist alt und nicht genau (hat nichts mit Quantenmechanik zu tun und wird nur durch“ empirische „Beweise gestützt)
Die Oktettregel wurde viel vor den Grundlagen der Quantenmechanik vorgeschlagen.
Hier ist ein Auszug aus Wikipedia:
Die Oktettregel ist eine chemische Faustregel, die die Beobachtung widerspiegelt, dass Atome von Haupt- Gruppenelemente neigen dazu, sich so zu verbinden, dass jedes Atom acht Elektronen in seiner Valenzschale hat, was ihm die gleiche elektronische Konfiguration wie einem Edelgas verleiht. Die Regel gilt insbesondere für Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und die Halogene, aber auch für Metalle wie Natrium oder Magnesium.
Wichtige Punkte, die hier zu beachten sind, sind:
- “ eine chemische Faustregel, die die Beobachtung widerspiegelt „: nur basierend auf Beobachtungen festgelegt
- Die Regel ist besonders anwendbar auf Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und die Halogene, aber auch auf Metalle wie Natrium oder Magnesium : funktioniert für die meisten die Verbindungen, die nur durch die Elemente der ersten Perioden des Periodensystems gebildet werden.
Es gibt nicht nur mehrere Ausnahmen von der Regel, wenn Atome über der Ordnungszahl 20 berücksichtigt werden, sondern auch Ausnahmen von der Regel, wenn einige Elemente aus den unteren Perioden ebenfalls berücksichtigt werden ( keine Überraschung):
- Es gibt stabile Atome, die eine unvollständig gefüllte Valenzschale haben, aber immer noch stabil sind ($ BCl_3 $, ein Phänomen, das als Rückbindung bezeichnet wird, spielt hier eine Rolle, die ein kurzes Oktett für das Bor sicherstellt Atom)
- es gibt stabile Atome mit einer ungeraden Anzahl von Elektronen (Stickoxid, $ NO $; Stickstoffdioxid, $ NO_2 $; Chlordioxid, $ ClO_2 $)
- es gibt stabile Atome Atome mit mehr als 8 Valenzelektronen ($ SF_6 $ hat 12 Elektronen, die das Zentralatom umgeben, dh: Schwefel)
Um alles auf den Punkt zu bringen, lautet die Oktettregel nicht korrekt.
Wie funktioniert die Oktettregel?
In Chemieklassen s, wir umgehen dies, indem wir kovalent gebundene Elektronen „doppelt zählen“ – irgendwie können sie als Valenzelektronen auf zwei Atomen gleichzeitig zählen. Aber wie kann sich ein einzelnes Elektron in zwei Quantenzuständen gleichzeitig befinden?
Die Oktettregel besagt, dass die Atome dazu neigen, Moleküle zu bilden, so dass sie 8 Elektronen haben in ihrer Valenzschale. Es spielt keine Rolle, ob das Elektron ein einzelnes Paar (oder ein radikalisches Elektron) ist oder ob es ein gebundenes Elektron ist; Was auch immer das Elektron sein mag, es ist immer noch ein Teil des Atoms.
Sie zählen nicht doppelt, Sie zählen alle gemeinsam genutzten Elektronen, weil sie Teil des Atoms sind. Wie der Name schon sagt, die Elektronen werden gemeinsam genutzt, daher werden beim Zählen gemeinsame Elektronen einbezogen.
Warum verwenden wir heute noch die Oktettregel?
Wir verwenden heute noch die Oktettregel, da es einfacher ist, das Verhalten der meisten gängigen Verbindungen (der durch die ersten Elemente gebildeten Verbindungen) zu verstehen und zu beschreiben „Sie möchten die Molekülorbitaltheorie nicht in einem Lehrbuch der Klasse $ 10 ^ {th} $, oder?
Molekülorbitaltheorie
Dies ist die neueste Theorie, die Bindungsbildungen erklärt. JackIch habe eine kurze und übersichtliche Erklärung der Molekülorbitaltheorie gegeben.
Kommentare
- Ich habe eine Datei, die ich Molekülsammlung “ – Die meisten Moleküle werden ausgewählt, um seltsam (wie zum Beispiel in, nicht nach der Oktettregel), groß oder einfach nur ästhetisch ansprechend zu sein. Ich habe es teilweise begonnen, weil ich die Tatsache liebte, dass viele seltsame Molekülgeometrien aus der Oktettregel gebildet werden konnten – in einigen Fällen sogar ohne Kohlenstoff, wie in en zu sehen ist. wikipedia.org/wiki/Decaborane . Und ich habe nach dieser Frage gesucht, weil ich vermutet habe, dass die Oktettregel nur eine Regel ist, die ‚ nicht so gut funktioniert, aber die Molekülorbitaltheorie vermeidet. Gut zu wissen.